Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung
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Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Louise Oakes Humboldt Universität zu Berlin 6. Oktober 2012 Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 1 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Introduktion Eine der wichtigsten offenen Fragen in der Astro-Teilchenphysik: die Natur Dunkler Materie (DM). Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonische Materie Aus kosmologischen Beobachtungen: nur ungefähr 4% des Universums besteht aus baryonischer Materie. Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 2 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Introduktion Mehrere Methoden werden verfolgt um DM zu untersuchen: Direkte Suche nach DM Teilchen (CRESST,DAMA ...) Indirekte Nachweise durch Zerfall und Annihilation zu: Gamma Strahlung (Satellit: Fermi, Erdgebunden: HESS, Veritas, Magic...) Neutrinos (Ice Cube,Antares,...) Fokus: Suchen nach DM bei H.E.S.S. und Simulationen für zukünftige DM-Analysen mit dem Cherenkov Telekope Array (CTA). Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 3 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung DM Kandidaten: WIMPs Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) sind gute Kandidaten für Dunkle Materie Teilchen Wechselwirkung ausschließlich durch die schwache und Gravitationskraft Erwartete Masse von 0.01 - 1 TeV Der WIMP Hauptkandidat ist das Lightest Supersymmetric Particle (LSP) z.B.das Neutralino (χ) Neutral Stabil Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 4 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Indirekte DM Nachweisstrategie Fluss aus WIMP Annihilation zu γ-Strahlung: dΦ dΦPP = · < J >∆Ω dE dE Teilchenphysik Komponente dΦPP 1 < σν > = dE 4π mχ2 abhängig von WIMP Masse und Kopplung Astrophysik Komponente 1 < J >∆Ω = · ∆Ω Z Z dΩ dΩ l.o.s ρ2 dl 2 abhängig von Materieverteilung (Profil) und Messinstrument Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 5 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Erdgebundenen Tscherenkow Teleskope Mit Tscherenkow-Teleskopen besteht die Möglichkeit DM indirekt über die Beobachtung von der Reaktion der VHE Gamma-Strahlung (aus dem Zerfall von DM Kandidaten) mit der Erdatmosphäre nachzuweisen. Sekundärteilchenschauer aus Reaktionen der Gammas mit Atomen in der oberen Atmosphäre. (HESS website) Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 6 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen Mit Tscherenkow-Teleskopen besteht die Möglichkeit DM indirekt über die Beobachtung von der Reaktion der VHE Gamma-Strahlung (aus dem Zerfall von DM Kandidaten) mit der Erdatmosphäre nachzuweisen. Teilchen mit fast Lichtgeschwindichkeit Tscherenkow Licht abgestrahlt in Richtung des einfallenden Photons. Am Erdboden: Tscherenkowkegel ≈ 250m Ø. (HESS website) Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 7 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen Mit Tscherenkow-Teleskopen besteht die Möglichkeit DM indirekt über die Beobachtung von der Reaktion der VHE Gamma-Strahlung (aus dem Zerfall von DM Kandidaten) mit der Erdatmosphäre nachzuweisen. Teleskop im Lichtkegel “sieht” den Luftschauer wenn der Spiegel groß genug ist, um genug Photonen zu messen. (HESS website) Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 8 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen Mit Tscherenkow-Teleskopen besteht die Möglichkeit DM indirekt über die Beobachtung von der Reaktion der VHE Gamma-Strahlung (aus dem Zerfall von DM Kandidaten) mit der Erdatmosphäre nachzuweisen. Das Teleskop-Bild zeigt die Spur des Luftschauers. Die Spur zeigt in Richtung der Quelle. (HESS website) Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 9 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen Mit Tscherenkow-Teleskopen besteht die Möglichkeit DM indirekt über die Beobachtung von der Reaktion der VHE Gamma-Strahlung (aus dem Zerfall von DM Kandidaten) mit der Erdatmosphäre nachzuweisen. Mit mehreren Teleskopen: beobachte den Schauer aus verschiedenen Richtungen. Stereoskopische Rekonstruktion ergibt bessere Richtungsmessung. (HESS website) Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 10 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung H.E.S.S H.E.S.S. Teleskope H.E.S.S. 4× 12m Teleskope (HESS I) 1× 28m Teleskop (HESS II) - neu seit Sommer 2012! Array auf 120 m2 verteilt 23◦ 16’18” S, 16◦ 30’00” E (Khomas Highland, Namibia) Höhe: 1800 m Beobachtungszeit pro Jahr: 1000 Stunden Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 11 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung H.E.S.S H.E.S.S. DM Ergebnisse - Galaktisches Zentrum γ Energiespektrum Theoretisch vohergesagte DM Spektren aus 3 Modellen im Vergleich mit HESS Daten. Diese Messung liefert keinen Hinweis auf DM. Ausschlussgrenzen DM Ausschlussgrenzen für Galaktisches Zentrum: geschwindigkeitsgewichteter Wirkungsquerschnitt vs DM Masse. Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 12 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung H.E.S.S H.E.S.S. DM Ergebnisse - Dwarf Spherical Galaxies Dwarf Spherical Galaxies sind andere mögliche Quellen von DM. Diese H.E.S.S. Analyse mit Daten aus 12 Stunde Beobachtungszeit zeigt keine Hinweise auf WIMP DM. Die Galaxie ist trotzdem ein guter Kandidat für zukünftige CTA DM Analysen. Figure: H.E.S.S. I 95% CL limits für geschwindigkeitsgewichteten Wirkungsquerschnitt vs DM Masse der Sculptor dSph Galaxie Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 13 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung H.E.S.S H.E.S.S. II Das neue H.E.S.S. II Teleskop Verbesserte Auflösung Höhere Empfindlichkeit bei niedriger Energie und Masse Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 14 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung CTA Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory CTA ist momentan in der Entwicklungsphase 3 geplante Arten von Teleskopen: 4-6 m Teleskope für E > 10 TeV 10-12 m Teleskope E > 0.1 - 1 TeV 24 m Teleskope für niedrige Energie Optimale Teleskopverteilung wird durch MC Simulationen ermittelt Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 15 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung CTA CTA Simulationen Laufende TscherenkowTeleskop-Experimente nutzen 5 oder weniger Teleskope. CTA wird mit mehreren O(10) von Teleskopen einen größeren Energiebereich und ungefähr 10x bessere Empfindlichkeit erreichen. Figure: CTA Empfindlichkeit nach 100 Stunden Beobachtungszeit der Sculptor dSph Galaxie mit verschiedenen Teleskopverteilungen Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Humboldt Universität zu Berlin 16 / 17 Introduktion DM Kandidaten Nachweis von DM mit Gamma-Strahlung γ-Strahlungs Detektion Experimente Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick DM Suche mit γ-Strahlung H.E.S.S. I indirekte Suchen nach DM zeigen bisher keine Hinweise neues H.E.S.S. Teleskop: höhere Empfindlichkeit, besonders bei niedriger Energie zukünftiges CTA Observatory: ungefähr 10 x Empfindlichkeit erwartet DM Ergebnisse von Erdgebundenen Teleskopen und Satelliten Teleskopen ergänzen einander. Louise Oakes Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung Figure: Limits von Fermi 2 Year Data und CTA Simulationen Humboldt Universität zu Berlin 17 / 17